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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划材料的表面和界面材料表面与界面第一章绪论1-1表面与界面的概念表面：通常把一个相和它本身的蒸汽：晶胞在三维空间上的周期性重复。实际晶体：有边界一、表面与体内的差别1、组成上的差别表面偏析(表面富集、表面偏析、晶界偏析）2、表面质点排列与体内的差别3、表面原子的电子结构与体内的不同表面上的原子的电子云空间分布变化?表面物理化学性质变化XPS测内层电子UPS测价电子二、表面科学的实际应用光学性质：增透膜、减反膜催化作用：1、改善材料的机械性能、腐蚀性能SiN4-SiN2O预氧化2、催化问
2、题3、界面的研究固-固界面、固-液界面4、能源的利用1-3表面研究方法一、常用表面分析技术AES俄歇电子谱SEM扫描电子显微镜EELS电子能量损失谱EXAFS扩展X射线吸收精细结构IMMA离子微探针质量分析器LEED低能电子衍射RHEED反射高能电子衍射STM扫描隧道显微镜XPSX射线光电子谱二、表面分析分类1、根据测量物理基础分类a、以电学、光学技术为基础2、表面电子谱优点：a)电子容易产生而且价廉AEAPSEPMAESCAHREELSIRRASMEEDSIMSUPS俄歇电子出现电势谱电子探针微区分析化学分析电子谱高分辨电子能量损失谱红外反射吸收谱中能电子衍射二次离子质谱紫外光电子谱b)电子
3、的荷质比很大，很容易被聚束或偏转c)电子有合适的非弹性散射平均自由程d)电子和原子、分子、离子不同，它在使用过程中不会影响系统的真空度，不会存在“记忆”效应e)电子能有效地加以检测缺点：a)电子对样品不是完全无损的b)电子谱探测的深度依赖于电子的能量和材料的特性c)电子携带的信息一般来自近表面约1nm的深度，所以电子谱包含有某些体内的性质d)电子不像光束那么容易做到“偏振化”和单色化，并且容易受外界磁场的影响。LEED）AES）a)b)c)d)分析深度LEEDEELSISS离子键结合物质极性共价键结合物质非极性共价键结合物质(2)表面所接触的介质：液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分
4、子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。当液体处在不同介质环境时，液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体表面张力的不同。一般来说，介质物质的原子或分子与液体表面原子或分子结合能越大，液体表面能越小，反之越大(3)温度：随着温度的升高，液体密度下降，液体内部原子或分子间的作用力降低，液体内部原子或分子对表面原子或分子的吸引力减弱，液体表面张力下降。最早给出的预测液体表面张力与温度关系的半经验表达式为：=0(1T/Tc)n式中Tc为液体的气化温度，0为K时液体的表面张力。3.固体表面能的影响因素。影响固体表面能的主要因素有：固体原子间的
5、结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。由于表面能的大小主要取决于形成固体新表面所消耗的断键功，因此原子间的结合能越高，断开相同结合键需要消耗的能量越高，所形成的固体表面能越高。由于固体晶体结构是各向异性的，不同晶面的原子面密度不同，所以形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量不同，导致所形成的表面能不同。一般来说，固体表面原子面密度越高，形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量越小，表面能越低。与液体一样，固体的表面能随温度的升高而下降，并且固体表面能随温度升高而下降的速度大于液体。4.计算并讨论立方晶系、和面的表面能大小。采用“近邻断键模型”来计算固体晶体的表面能，两点假设：第一，每个原子只
6、与其最近邻的原子成键，并且只考虑最近邻原子间的结合能；第二，原子间的结合能不随温度变化。对于具有任意晶体结构的固态晶体，某一晶面hkl的表面能可以用下式计算：Shkl=NhklZ(Ua/2)式中，Nhkl为hkl晶面单位面积的原子数，Z为晶体沿hkl晶面断开形成新表面时hkl晶面上每个原子需要断裂的键数。简单立方晶体面心立方晶体体心立方晶体5.讨论液体在固体表面的润湿与铺展现象。润湿：液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。润湿与不润湿不是截然分开的，可用润湿角进行定量描述。润湿角定义：当固液气三相接触达到平衡时，从三相接触的公共点沿液气界面作切线，切线与固液界面的夹角为润湿角。润湿角大小与润湿
7、程度的关系：?90：不润湿?=0o：完全润湿?=180：完全不润湿润湿角公式：ooo?s-g=?s-l+?l-gcos?所以cos?/?l-g当?s-g?s-l时，cos?0，?90，?s-g与?s-l差越大，不润湿程度越大。以上方程的使用条件：?s-g?s-l?l-g，?s-g为固体的表面能低能表面不易被液体润湿，但表面张力很低的液体也可能润湿，甚至完全润湿低能表面。对于某一低能表面的固体，当液体的表面张力达到?c时，可完全润湿该固体，则?c称为该固体被完全润湿的临界表面张力。?c是固体材料的一个特征值，其物理意义是：只有表面张力小于?c的液体，才能对该固体完全润湿。大于?c的液体，有一定的
8、?值。由此又提出一个计算?的经验公式cos?=1?(?1-g?c)其中?的单位是：Nm；?3040铺展：一种液体能否在另一种与其不相溶的液体或固体表面上铺展，可用粘附功和内聚功之差来表示：SWaWc=?A+?B?AB2?B?A?B?ABS铺展系数S0时，B在A表面上会自动铺展开，S值越大，铺展越容易S0是铺展的基本条件，这时?A?B?AB0对液相在固相表面的铺展：?A?s-g?B?l-g?AB=?l-s，所以?s-g?l-s?l-g0，所以?s-g?l-s?l-g。这时润湿角方法已经不能再适用。铺展是润湿的最高标准6.分析晶界结构模型。多晶体的性能与晶内晶体结构有关，也与晶界结构有关。多晶体中
9、各晶粒之间的交界称为晶界。而且多晶体晶界一般为大角晶界。目前对大角晶界提出的晶界结构模型有：晶界是由非晶体粘合物构成岛状模型：小岛内原子排列整齐晶界点缺陷模型：晶界有大量空位间隙原子晶界结构位错模型重合位置点阵其中重合位置点阵晶界模型比较成熟。小角晶界是指相邻两晶粒间位向差小于15的晶界，研究比较成熟，主要分为倾斜晶界和扭转晶界。其中倾斜晶界又分为：对称倾斜晶界：由一系列相同符号的刃型位错排列而成的晶界，和非对称倾斜晶界：由两组相互垂直的刃型位错组成的晶界；-17.讨论晶界位向角与晶界能的关系。从图可以看出，在小角晶界范围内，晶界能随晶界位向角的增加而迅速增大。大角晶界界面能与位向角基本无关，
10、但在共格孪晶和重合位置点阵出现时，晶界能有一个明显的下降。8.晶界偏聚的产生原因和影响因素。偏聚现象：晶界上溶质元素浓度高于晶内偏聚动力：晶界处结构复杂、能量高，溶质元素在晶内产生畸变能。溶质从晶内向晶界附近偏聚，使系统能量降低。正吸附与反吸附：正吸附：使晶界表面张力降低的溶质原子向晶界偏聚，如钢中C，P。反吸附：使晶界表面张力增加的溶质原子远离晶界，如钢中Al。偏聚与偏析：偏聚：固态扩散造成,为平衡态平衡偏聚偏析：液态凝固时形成，为非平衡态影响因素：晶界能；杂质原子与基体原子尺寸差；浓度；第三种元素共同偏聚；晶界结构。9.金属表面热渗镀的特点与分类。定义：用加热扩散的方法把一种或几种元素渗入
11、基体金属的表面，可得到一扩散合金层，但有时表面上还会残留一层很薄的覆层热渗镀。特点：靠热扩散形成表面强化层，结合力很强热渗镀材料的选择范围很宽作用：渗入不同元素，可得到不同的表面组织和表面性能，包括耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、耐高温氧化性。分类：固溶法：粉末包渗法、流化床法。粉末包渗法：把工件埋入装有渗层金属粉末的容器里，进行加热扩散。为防止粉末烧结使工件表面难于清理，在粉末中要加入防粘结粉末。为加速渗入过程，在粉末中加入活化剂，通过化学反应使渗层金属变成活性金属原子。液渗法：热浸法，融溶法，盐溶法热渗法：将工件直接浸入某一液态金属中，形成合金镀层，继续加热使镀层扩散形成合金层。例如：钢热浸铝。
12、气渗法：加热工件到渗剂原子在基体中能显著扩散的温度，通入含有渗剂金属卤化物的氢气，在工件表面发生如下反应：MCl2AACl2M(A为基体金属)MCl2H22HClM反应生成的活性金属原子M渗入工件表面。离子轰击渗镀法：通过在低真空下气体辉光放电使渗剂金属变成等离子态。离子活性比原子高，再加上电场的作用，所以此方法渗速高，质量好。复合渗：利用各种方法，将工件表面形一固相涂层，然后加热扩散。镀层工艺和加热工艺多种多样。10.金属表面热渗镀的渗镀元素与基底元素有限固溶并有中间化合物形成的渗层组织分析。有限固溶并有中间化合物形成的渗层组织开始阶段如图中曲线所示，表面B元素浓度继续增加，达到C1，表面形
13、成AnBm并向内扩散，即形成曲线，表面B元素浓度继续增加至C，表面形成相并向内扩散，达到曲线。B溶入A的表面形成固溶体。开始阶段的浓度曲线如所示，随着B原子的不断溶入和扩散，表面浓度不断增加，当B在A中的浓度达到该温度下相的饱和浓度C时B的浓度曲线如所示；当B原子进一步渗入时表面的浓度达到C1甚至C2时，即表面形成化合物相AnBm，如曲线所示；B再进一步扩散，表面浓度进一步升高，出现相，最终曲线如所示。由外向内依次是AnBmA。渗层中各相的相对厚度由各相的形核和转变的难易程度决定，一般是成长快的较厚。11.金属表面热喷涂的技术特点。金属表面热喷涂是利用专用设备将固体材料熔化并加速喷射到工件表面
14、形成一种特制薄层，提高工件表面性能的表面处理方法。其技术特点主要有以下几点：1取材广泛2可用于各种基体3基体保持较低温度4工效高，比电镀快5工件大小不受限制，可进行局部喷涂，工件或整体均可6涂层厚度易控制7满足各种性能需要：耐磨、耐蚀、高温氧化、隔热、高温强度、密封、减磨、耐辐射、导电、绝缘等。12.激光表面改性的特点。激光束和电子束发生器有足够的能量促使短时间内加热和活化工件大面积的表面区域。纳米材料的表面与界面纳米材料包含纳米微粒和纳米固体两部分，纳米微粒的粒子直径与电子的德布罗意波长相当，并且具有巨大的比表面；由纳米微粒构成的纳米固体又存在庞大的界面成分。强大的表面和界面效应使纳米材料体现出许多异常的特性和新的规律，这些特性和规律使其展现出广阔的应用前景。其中，在宏观尺度上制造出具有纳米结构和纳米效应的高性能金属材料，并揭示这些材料的组织演化特征以实现功能调控，是金属材料学科面临的重大科学问题和需要解决的核心关键技术。本文将对纳米材料的表面、界面效应进行介绍。纳米材料纳米材料就是具有纳米尺度的粉末、纤维、膜或块体。其中纳米粉末，也就是通常所说的纳米粒子，研究时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。
